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1、开关电源的设计资料,家用电器开关电源设计参考 编者: 卢朝波,目录,1.开关电源系统要求的确定 2.开关电源方案的选择 3.开关电源原理图设计 4.开关电源EMC设计 5.开关电源PCB设计 6.开关电源性能测试,1.开关电源系统要求的确定,1.1 确定输入电压 一般开关电源芯片都支持两种电压输入形式:一为230VAC的单电压输入,另一种为85V265V的宽电压输入.频率为50HZ和60HZ两种.应根据不同国家的电网电压,确定输入电压标准. 1.2 确定输出电压 首先确定输出通道的个数,然后确定每个输出通道的电压值. 1.3 确定输出功率 确定每个输出通道的工作电流和额定电流. 工作电流: 正
2、常工作时的电流,运行时间很长 额定电流: 系统工作时的最大电流或非正常状况下的电流,运行时间很短 1.4 确定输出效率 在开始设计前,首先确定开关电源的目标效率,因为,效率决定了元器件的选择和很多参数的计算.现在的关电源效率一般在80%左右,不要太低也不要太高.因为太低了,不符合节能的要求,太高了,实际设计中无法实现 1.5 开关电源说明书的编写模板,3.开关电源原理图的设计,3.1 反馈电路的选择 3.1.1 稳压管反馈电路,由上图可知,在稳压管的反馈电路中,电路的输出公差一般为，负载调整率为，线性调整率为 图中的稳压管的调整电压一般选择低于要求输出电压根据输出电压的大小，调整两个与稳压管相
3、连的电阻值的大小，保证得到正确的输出电压电阻值一般在欧到欧之间调整,3.1.2 反馈电路,由上图可知,在的反馈电路中,电路的输出公差一般为，负载调整率为，线性调整率为 调整参考端的电阻值，得到正确的输出电压值，由ref=2.5V得出， （），其中为输出电压值，也可以调整的值，使也为常用档位的电阻 串联在光藕上方的电阻也需要根据光藕和开关芯片控制脚电流的大小调到合适的值,3.1.3 常用的偏置绕组电压的选择 在用以上两种反馈电路时，给开关芯片供电的绕组电压一般选择 3.1.4常用的光藕的型号如下表 一般选择光藕的传输比在左右,3.2 开关变压器初级反射电压Vor和RCD 钳位电路的设计 3.2.
4、1 Vor的确定(当开关管断开,变压器能量传输时,次级线圈电压通过匝比反射到初级的电压) Vor一般在80V135V之间选取.选取应符合以下规则, 1)Vor越高,可减小输入电容的容值,提高低压时的能量传输 2)Vor越高,输出二极管的反向电压越高,二极管损耗越大 3)Vor越高,增加变压器的漏感,降低效率,EMI增大 4) Vor大于135V,容易把开关管击穿,Vor小于80V容易引起开关管在启动时的保护. 3.2.2钳位二极管选取 钳位二极管电压Vclo一般取1.5Vor. 钳位二极管过冲电压Vclm一般取1.4Vclo. 具体参数选择如下图,由上图知,当取Vor=100V,则Vclo=1
5、50V,可取P6KE150.当Vor=120V,则Vclo=180V可取P6KE180.当Vor=135V,则Vclo=200V,可取P6KE200. 3.2.3 R,C吸收回路的确定. 如图,C值一般在1nF/1KV4.7nF/1KV之间选择,R值在10K100K之间选择.具体值应根据不断的试验确定.包括温度和EMC,EMI实验.,3.3 确定电源要求的Vacmax,Vacmin,fL,Vo,Po,Po(peak),Z等,并确定输入电容Cin和最小直流电压Vmin及最大直流电压Vmax. 3.3.1 Vacmax,Vacmin值的选择如下表 3.3.2 fL的确定 fL值由各国家标准电网电压
6、确定,一般在宽电压85V265V或单电压230V输入时,取50HZ.单电压120V输入时,取60HZ. 3.3.3 Vo, Po一般是指正常输出时,即连续负载情形下的值.Po (peak)指在最大负载时的值. 3.3.4 , Z值确定 , Z 值如果没有更好的选择.一般取=80%,Z=0.5. 为电源的目标效率.Z为次级损耗与总损耗的比值.,3.3.5 Cin值的选择如下表 3.3.6 Vmin 的计算公式如下 其中Tc指整流桥的导通时间,一般取3ms. Vmin的经验值为:宽电压85V265V或单电压120V时,取90V.单电压230V输入时,取240V,3.3.7 Vmax的值由以下公式确
7、定 3.3.8 输入电压波形图如下,3.4 Dmax 由以下公式确定 3.5 电流波形参数Kip的确定 3.5.1 当Kip1时,Kip=Krp=Ir/Ip 如下图,3.5.2 当Kip1时, 如下图 3.5.3 连续模式下,宽电压输入时一般取Kip=0.4 ,230V时,Kip=0.6. 3.5.4 断续模式下,取Kip=1.,3.5.5 Kip的选取必须被定义在下表的范围内 3.6 峰值电流Ip的计算如下公式,3.7 初级有效值电流Irms的计算公式 3.8初级电感量Lp的计算公式,L p也可有以下公式计算 Lp= E*T*D/2*Pin 上式中E为初级直流高压端的电压值.Pin=Po/
8、T=1/f,D由前面公式计算值,经验值可设为0.5,3.9 开关变压器的设计 3.9.1 根据下表选择开关变压器磁芯,框架.,3.9.2 开关变压器磁芯的选择也可以用以下公式计算 Ap=Ae*Aq=Pt* /2*fs*Bm*Km*Kc 3.9.3 磁芯的磁滞回线如图, 磁芯的选择尽量遵循以下原则 1) 磁导率尽量高 2)矫顽力Hc尽量小,磁滞回线尽量窄 3)电阻率要高,涡流损耗小 4)饱和磁感应强度要高,3.9.4 根据厂家的磁芯的参数表可得出磁芯的A e, Le, , Bw. 3.9.5 初级匝数Np的计算公式如下 1) 2) 两个公式计算出的值会有很大的差别,因此,任何公式的计算都无法达到
9、满意的需求,必须经过反复的调试,才能达到满意的效果,且值也不是唯一的.,3.9.6 次级匝数的计算 由公式 可得出Ns的值. 3.9.7 根据经验计算Np,Ns的值. 当开关频率在100KHz,85V265V或120V输入时,Ns值可按每伏1匝选取.当单路输入230V时, Ns值可按每伏0.6匝选取.然后根据公式 计算Np的值.同时设定匝数L=2. 辅助绕组的匝数可根据下式计算,3.9.7 初级绕组线径的计算 根据计算出的OD值选用漆包线.线的电流密度最好保证在2A4A/mm之间. 3.9.8 反复调整L,Np,Ns,Lp或选用的磁芯的大小,使Bm,Lg的值在定义的范围之内. 1)2000GS
10、Bm3000GS.,2) 气隙长度Lg 0.1mm, 3)初级漏感应小于0.02Lp. 3.9.9 Bp的值必须小于4200GS,以避免变压器在启动和过载时的磁饱和.必要时可降低I过流保护限值,3.9.10 次级峰值电流和有效值电流的计算公式如下 3.9.11 次级绕组线径的选择,当选的线径27AWG时,需选用多股绕线.原则上应铺满窗口面积.,3.9.12 次级绕组和辅助绕组峰值电压的计算 3.10 输出整流二极管的选择 1) 原则: 常用整流二极管型号如下表,3.11 输出电容的选择 原则 1) 在105时,必须大于或等于Iripple 2)必须有小的ESR的电解电容.一般采用两个并联的方式
11、减小ESR. 3.12 输出滤波电感量的选择 原则 2.2HL6.8H,当输出电流1A时,采用绕线电感,且大小随电流的增大而增大.,3.13 辅助绕组整流管的选择 原则 常用的二极管如下表 3.14 输入整流桥的选择 原则,4.1 开关电源EMC介绍 EMC (电磁兼容性),包括EMI(电磁骚扰)和EMS(电磁抗扰度) 4.1.1开关电源的EMI主要有以下几项 1)0.1530MHZ的交流电源线传导骚扰 2)30300MHZ(家电类要求)或301000MHZ的辐射骚扰 3)02KHZ的工频谐波电流 4.1.2 开关电源的EMS主要有以下几项 1) ESD 静电放电 2) EFT 电快速瞬变脉冲
12、群 3) 雷击浪涌 4) 电压跌落或中断 5)高频辐射电磁场 6)由射频场感应所引起的高频传导,4. 开关电源EMC设计,4.2 开关电源EMI判断标准 4.2.1 电源线传导骚扰限值要求 4.2.2 辐射骚扰限要求(测试点距被试设备10m) 4.2.3家用电器及电动工具类用吸收钳法测量辐射功率发射(30300MHZ),4.2.4 谐波电流发射限值 4.3 开关电源EMS 判断标准 4.3.1 开关电源测试结果离不开以下三中情况,A为最高,C为最低 A:开关电源在试验中和实验后都能正常工作,且无性能下降和低于制造商规定的性能等级现象发生 B:开关电源在试验后可以正常工作,且无性能下降和低于制造
13、商规定的性能等级现象发生 C:允许开关电源有暂时性的性能下降,只要这种功能是可以通过控制操作,人工复位,甚至关机后恢复的. 4.3.2 EMS判断标准 1) ESD 静电放电 B级 2) EFT 电快速瞬变脉冲群别 B级 3) 雷击浪涌 B级 4) 电压跌落或中断 C级 5)高频辐射电磁场 A级 6)由射频场感应所引起的高频传导 A级,4.4 EMI 预测试 4.4.1 交流电源线的传导骚扰测量(0.1530MHZ) 传导骚扰测量分为峰值检波,准峰值检波,平均值检波.一般由准峰值和平均值是否超标来判别.但由于准峰值扫描很慢,所以一般先扫描峰值,如果峰值低于准峰值和平均值,则没必要再往下测试,产
14、品一定合格.只有当峰值超标时,可对超标部分扫描准峰值扫描,判别是否超标,这样可以加快测试时间.一般预测试产品必须低于极限值2dB,才能保证产品合格,最好低于6dB. 4.4.2 辐射骚扰的场强测量(301000MHZ) 辐射测量要在半电波暗室中测量,被试产品放在转台上,由天线接受器对产品的各个角度进行测量.一般分3m和10m距离的测量.同上被测试的产品低于极限值越多越好. 4.4.3 骚扰功率的测量(30300MHZ) 骚扰功率一般用吸收钳法测量设备的辐射发射,主要用于家电和电动工具的辐射发射的测量.吸收钳在电源线上移动,以找到最大的辐射发射点,一般在1/2波长处,骚扰功率最大. 4.4.4
15、谐波电流测量 一般要求完成40次谐波以下的测量.对于家用电器,只要电路板不是设计的非常差,一般都能通过测量.在设计中不是考虑的重点.,4.5 EMS预测试 4.5.1 ESD 静电放电测试 ESD 分为直接放电和间接放电.标准将试验等级分为4级:直接放电分为2KV,4KV,6KV,8KV;间接放电分为2KV,4KV,8KV,15KV.家电类标准接触放电4KV和间接放电8KV. 1)直接放电: 先用放电枪在人手可触及的试品表面以20次/秒的放电速度迅速的扫描一遍,找到敏感部位(数显跳动,动作异常等部位)作为重点部位.正式测试时,以1次/秒的速度扫描,以便让试品来得及响应.通常每个重点部位要放电2
16、0次,(10次正,10次负) 2)间隙放电: A.水平耦合板,放电枪垂直的离试品0.1m处用接触放电方式进行放电. B.垂直耦合板,耦合板放在离试品0.1m处,放电枪垂直于耦合板一条边的中心位置进行放电.对试品的4个垂直面都要尽心间接放电.,4.5.2 射频辐射抗扰度试验 分为3级:1V/m,3V/m,10V/m.测试频率为801000MHZ.主要针对通信和广播类产品. 4.5.3 EFT 电快速瞬变脉冲群 测试等级分为: A.电源线上0.5KV(5KHZ),1KV(5KHZ),2KV(5KHZ),4KV(2.5KHZ).家电类标准: 1KV(5KHZ) B.信号线上0.25KV(5KHZ),0.5KV(5KHZ),1KV(5KHZ),2KV(5KHZ).家电类标准: 0.5KV(5KHZ) EFT试验是比较难通过的试验,一般要在每根线,每个极性下做三次试验,每次1分钟,间隔1分钟.每跟线做完,再换另一根线.注意EFT测试加的干扰是共模干扰. 4.5.4 雷击浪涌抗扰度试验 测试等级分为: A.差模实验(线对线):0.
